Nieuwe techniek combineert eiwitten uit verschillende spinnen

Sterk, licht, elastisch en ook nog eens biologisch afbreekbaar: spinnenzijde is een buitengewoon materiaal. Al jarenlang wordt gewerkt aan het namaken van deze aantrekkelijke vezels. Zweedse onderzoekers stellen in Nature Chemical Biology dat zij de beste imitatie tot nu hebben gemaakt. Maar dat wordt door andere wetenschappers betwist.

10 januari 2017

Kruisspin in haar web.Vincent de Groot via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Als je bang bent voor spinnen belooft de aanblik van een web niet veel goeds, maar zelfs dan kan de schoonheid ervan je nauwelijks ontgaan. Zo ingenieus gemaakt, zo doeltreffend als jachtstrategie en toch zo fragiel. Maar dat laatste klopt helemaal niet.

Een web kapot maken is voor ons niet moeilijk, maar de spinnenzijde waar het web uit bestaat, behoort tot een van de sterkste en taaiste natuurlijke materialen die we kennen. Om spinnenzijde te breken heb je evenveel energie nodig als voor het breken van supersterke kunstvezels als Kevlar en Dyneema die je onder meer in kogelwerende vesten vindt. Bovendien is spinnenzijde ook nog eens elastisch, heel licht, biologisch afbreekbaar en wekt het in mensen geen immuunreactie op. Deze bijzondere combinatie van eigenschappen zorgt ervoor dat wetenschappers al jaren proberen om spinnenzijde na te bootsen door de benodigde eiwitten in bacteriën te produceren en daar vezels van te vormen. Dat bleek een behoorlijke kluif, maar inmiddels is kunstmatige spinnenzijde commercieel verkrijgbaar.

Toch is vooralsnog de spin zelf veruit de beste producent van spinnenzijde. Maar onderzoekers van verschillende Zweedse universiteiten stellen nu in Nature Chemical Biology dat zij het bijna net zo goed kunnen en dat ze vezels spinnen die het natuurlijke voorbeeld heel dicht benaderen.

Plakkende uiteinden

Spinnenzijde bestaat uit een speciaal soort eiwitten, de spidroins. Een van de bekende problemen bij het namaken van spinnenzijde is de slechte oplosbaarheid van de spidroins. Daardoor plakken ze snel aan elkaar tot een moeilijke, verwerkbare massa. Als gevolg daarvan zijn sterke oplosmiddelen nodig om de spidroins eerst los te weken en te ontvouwen, voordat je er nette vezels van kunt spinnen.

De Zweden pakten dat probleem aan door een nieuw type spidroin te maken. Spidroins bestaan uit drie delen. Het middenstuk zorgt voor de structuur van de vezels en aan iedere kant zit een terminaal domein, een uiteinde dat zorgt voor de koppeling tussen de individuele spidroins zodat er een lange vezel kan ontstaan. Die uiteinden zijn in de meeste gevallen slecht oplosbaar en zorgen voor de problemen.

Maar er zijn spidroins bekend waarvan een van de beide uiteinden wel goed oplosbaar is. Een team onder leiding van Janne Johansson en Anna Rising van het Zweedse Karolinska Instituut heeft nu twee goed oplosbare uiteinden van spidroins uit verschillende spinnen gecombineerd met een middenstuk tot een nieuw eiwit. En dat eiwit blijkt zo goed oplosbaar in water dat ze geen kunstgrepen met oplosmiddelen meer nodig hebben en direct vanuit de eiwitoplossing vezels kunnen spinnen. Bijna net zoals de spin dat doet.

“Het combineren van de twee goed oplosbare terminale domeinen vind ik een aardige stap voorwaarts en dat ze geen organische oplosmiddelen meer nodig hebben is natuurlijk ook een pluspunt, maar hun claims over de mechanische eigenschappen van hun vezels verbazen me nogal”, reageert Jan van Hest desgevraagd. Hij is hoogleraar Bio-Organische Chemie aan de Technische Universiteit Eindhoven en heeft zelf ook aan kunstmatige spinnenzijde gewerkt. “Ze beweren dat ze de sterkste kunstmatige spinnenzijdevezel tot nu toe hebben gemaakt, maar volgens mij heeft een groep Duitse chemici in 2015 betere resultaten gepubliceerd. Ze verwijzen zelf ook naar die publicatie.”

Dat roept om een reactie uit Zweden en Janne Johansson reageert per ommegaande op de vragen van NEMO Kennislink. “Ons streven is om kunstmatige spinnenzijde te produceren op een manier die de werkwijze van de spin zo dicht mogelijk benadert. In de publicatie waar u naar verwijst gebruiken de onderzoekers gedenatureerde [ontvouwen, red.] eiwitten die ze vervolgens met behulp van een ander sterk oplosmiddel tot vezels spinnen. Wij gebruiken alleen spidroins die zijn opgelost in waterige buffers en we vormen de vezels door de pH te verlagen, precies zoals de spin dat doet. Die zorgt ook voor een iets zuurdere omgeving in de klier waar hij de vezels spint”, verklaart Johansson.

Hij wijst op nog een verschil. “Wij rekken onze vezels niet uit na het spinnen, wat de Duitse groep wel heeft gedaan. Zij rekken eerst hun vezels tot zeshonderd procent op, wat meer dan twintig keer zoveel is als de rekbaarheid van natuurlijke spinnenzijde en bepalen dan de taaiheid. Hun niet-uitgerekte vezels laten een heel ander beeld zien, met een veel lagere taaiheid. Vandaar onze claim dat wij de sterkste as-spun kunstmatige spinnenzijde vezel, dus zonder verdere bewerking, hebben gemaakt.”

Bijkomstigheid

Wat betekent deze nieuwe aanpak voor de productie van kunstmatige spinnenzijde? “Wij zijn er als eerste in geslaagd om de spinnenzijde eiwitten op een geordende manier te laten assembleren tot gestructureerde vezels, zonder de eiwitten eerst te denatureren. Dat is echt heel anders dan de gebruikelijke technieken op basis van een structuurloze eiwitmassa”, laat Johansson weten.

Zijn oordeel over de huidige kunstmatige spinnenzijde steekt hij niet onder stoelen of banken. “In onze publicatie laten we zien dat je met de technieken die nu worden gebruikt in de commerciële productie van spinnenzijde, ook vezels kunt spinnen van albumine, een plasma-eiwit dat totaal niet gerelateerd is aan spidroins. Om het bot te stellen, de huidige commercieel verkrijgbare ‘spinnenzijde’ mag je zien als een artefact, een bijkomstigheid, van het werken met aggregaten van gedenatureerde eiwitten.” Kortom, volgens Johansson is de huidige generatie kunstmatige spinnenzijde de naam nauwelijks waard.

Die mening leggen we voor aan Thomas Scheibel, onderzoeksleider van de publicatie uit 2015 waar Johansson op reageert. Scheibel is hoogleraar Biomaterialen aan de Universiteit van Bayreuth (Duitsland) en nauw betrokken bij AMSilk, een Duits bedrijf dat polymeren op basis van (spinnen)zijde produceert. Ook hij reageert per ommegaande en doet dat beleefd, maar fel. “Gedenatureerde spinnenzijde eiwitten kunnen zich volledig hervouwen en die structuur is niet te onderscheiden van de ‘natieve’ toestand. Wij werken juist bewust met gedenatureerde eiwitten; als je dat niet doet hebben alle eiwitten een verschillende uitgangsconditie. Je weet dan niet precies hoe je materiaal eruitziet.”

Natuurlijk nastrekken

De suggestie dat Scheibel en anderen in het veld alleen maar ‘structuurloze aggregaten van gedenatureerde eiwitten leveren’ is tegen het zere been. Scheibel: “Daar ben ik het volstrekt mee oneens. Wij hebben in meerdere publicaties duidelijk aangetoond dat er sprake is van gecontroleerde assemblage van de spinnenzijde eiwitten tot uitgelijnde, gestructureerde vezels. En dat wij onze vezels na vorming extra strekken is helemaal niet onnatuurlijk zoals Johansson beweert. Integendeel, nastrekken [uitrekken na vorming, red.] is ook onderdeel van het natuurlijke proces, zowel in spinnen als in zijderupsen. Dat hebben meerdere onderzoeksgroepen aangetoond.”

Spoeltjes met de ‘meest natuurlijke kunstmatige spinnenzijde’, althans volgens de groep van Janne Johansson en Anna Rising.
Marlene Andersson, M. Andersson, et al., Nat Chem Biol (2017) doi:10.1038/nchembio.2269

De claim van Johansson en Rising dat zij het meest natuurlijke spinprocedé tot nu toe hebben ontwikkeld kan dan ook op weinig sympathie van Scheibel rekenen. “Zij gebruiken een compleet kunstmatig, klein eiwit dat zowel qua structuur als qua molecuulgewicht in niets lijkt op een spidroin zoals we die tot nu toe in de natuur hebben aangetroffen. Er is niets ‘natuurlijks’ aan hun opzet.”

Scheibel ziet niet waarom de Zweden voor deze aanpak hebben gekozen. “Het is al lang bekend in dit veld dat een hoger molecuulgewicht en nastrekken de eigenschappen van spinnenzijde enorm verbeteren. Als ze grotere eiwitten gebruiken en hun vezels na het spinnen extra strekken, kunnen ze volgens mij een taaiheid bereiken die wel in de buurt komt van het natuurlijke spinnenzijde. Waarom doen ze dat niet?” Hij zinspeelt op een gebrek aan bewijs. “De enige reden die ik kan bedenken is dat de door hen geclaimde ‘natieve structuur’ van de vezels niet hard is aangetoond. In hun publicatie ontbreken in ieder geval experimenten die iets laten zien over de structuur van de vezels.”

Bronnen:

M. Andersson, et al., Biomimetic spinning of artificial spider silk from a chimeric minispidroin, Nature Chemical Biology (2017), doi:10.1038/NCHEMBIO.2269

A. Heidebrecht, et al., Biomimetic fibers made of recombinant spidroins with the same toughness as natural spider silk, Advanced Materials (2015), doi:10.1002/adma.201404234

Reageer